【導(dǎo)讀】熱保險(xiǎn)絲作為一種基本的電路保護(hù)器件，已經(jīng)成功使用了150多年。熱保險(xiǎn)絲有效、可靠、易用，具有各種不同的數(shù)值和版本，能夠滿足不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)。然而，對于尋求以極快的速度切斷電流的設(shè)計(jì)人員來說，熱保險(xiǎn)絲不可避免的缺點(diǎn)就是其自復(fù)位能力，以及在相對較低的電流下的工作能力。對于這些設(shè)計(jì)人員來說，電子保險(xiǎn)絲（通常用eFuse或者e-Fuse表示）是一種很好的解決方案，有時(shí)還可以取代熱保險(xiǎn)絲，但通常是對熱保險(xiǎn)絲功能的補(bǔ)充。
eFuse基于一個(gè)簡單概念，即通過測量已知電阻器上的電壓來檢測電流，然后在電流超過設(shè)計(jì)限值時(shí)，通過場效應(yīng)晶體管 (FET) 切斷電流。eFuse具有熱保險(xiǎn)絲無法實(shí)現(xiàn)特性、靈活性和功能。
本文將介紹電子保險(xiǎn)絲的工作原理。然后，探討有源電路保險(xiǎn)絲的特點(diǎn)、附加功能及如何有效使用。同時(shí)，本文還將以Texas Instruments、Toshiba Electronic Devices and Storage、STMicroelectronics的解決方案為例介紹電子保險(xiǎn)絲及其有效使用情況。
eFuses如何工作？
傳統(tǒng)熱保險(xiǎn)絲的工作原理簡單可靠，為人熟知：當(dāng)通過易熔連接部分的電流超過設(shè)計(jì)值時(shí)，該元件就會被充分加熱而熔化。這樣，電流路徑被切斷，電流歸零。根據(jù)保險(xiǎn)絲的額定值、類型以及過電流的大小，熱保險(xiǎn)絲可在幾百毫秒到幾秒內(nèi)作出響應(yīng)并斷開電流通路。當(dāng)然，和所有的有源和無源元器件一樣，對于這個(gè)原理簡單的純無源器件來說，也會有很多變化、細(xì)節(jié)和遮蔽運(yùn)行可供選擇。
相比之下，電子保險(xiǎn)絲的工作原理則截然不同。電子保險(xiǎn)絲具有一些相同的功能，但也增加了不同的新功能和新特性。eFuse的基本概念同樣很直接：負(fù)載電流通過FET和一個(gè)檢測電阻器，并通過該檢測電阻器上的電壓進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)該電壓超過預(yù)設(shè)值時(shí)，控制邏輯會斷開FET并切斷電流路徑（圖1）。FET與電源線和負(fù)載串聯(lián)，必須具有非常低的導(dǎo)通電阻，因此不會引起過大的電流電阻 (IR) 降或功率損失。
圖1：在電子保險(xiǎn)絲中，當(dāng)從電源到負(fù)載的電流通過檢測電阻時(shí)，通過該電阻上的電壓進(jìn)行監(jiān)測；當(dāng)測得的電壓超過設(shè)定值時(shí)，控制邏輯將FET斷開，以阻斷電流流向負(fù)載。（圖片來源：Texas Instruments）
看起來，eFuse只是經(jīng)典無源熱保險(xiǎn)絲的一個(gè)更復(fù)雜的有源版本。雖然如此，電子保險(xiǎn)絲也有一些獨(dú)特的屬性：
● 速度：反應(yīng)快，其斷開反應(yīng)時(shí)間為微秒級，有些設(shè)計(jì)能達(dá)到納秒級。這一屬性對于今天采用相對敏感的IC和無源元件的電路來說非常重要。
● 低電流操作：電子保險(xiǎn)絲不僅可以采用低電流工作設(shè)計(jì)（大約100毫安 (mA) 或更?。?，而且還可以在很低的個(gè)位數(shù)電壓下正常工作。在這些水平下，熱保險(xiǎn)絲往往無法獲得足夠的自熱電流，以促使其易熔連接部分熔斷。
● 可復(fù)位：根據(jù)具體型號，eFuse可選擇在激活后保持?jǐn)嚅_（稱為閂鎖模式），或在當(dāng)前故障消失后恢復(fù)正常工作（自動重啟模式）。后一種設(shè)置在沒有"硬"故障的瞬態(tài)浪涌電流情況下特別有用，例如當(dāng)板子插入帶電總線時(shí)就會出現(xiàn)這種情況。在更換保險(xiǎn)絲困難或成本較高的情況下，也很有用。
● 反向電流保護(hù)：電子保險(xiǎn)絲也可以提供反向電流保護(hù)，這是熱熔斷器無法做到的。當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓高于其輸入的電壓時(shí)，就會出現(xiàn)反向電流。例如，在一組冗余電源并聯(lián)時(shí)就會出現(xiàn)這種情況。
● 過壓保護(hù)：借助一些額外的電路，eFuse還可以提供過壓保護(hù)，以防止浪涌或感應(yīng)跳閘，即當(dāng)輸入電壓超過設(shè)定的過壓跳閘點(diǎn)時(shí)，切斷FET并在過壓條件持續(xù)期間保持在斷開狀態(tài)。
● 反極性保護(hù)：eFuse還可以提供反極性保護(hù)，如果電源反向連接，則迅速切斷電流。例如汽車電池因電纜意外接觸而短暫的反接。
● 轉(zhuǎn)換速率遞增：一些先進(jìn)的電子保險(xiǎn)絲還可以通過外部控制或使用固定元件來控制無源元件FET的導(dǎo)通/關(guān)斷之間的切換，從而提供規(guī)定的斷電/上電電流轉(zhuǎn)換速率。
因此，eFuses是一種極具吸引力的電流控制解決方案。雖然在某些情況下這些器件可以代替熱保險(xiǎn)絲，但兩者往往是成對搭配使用的。在這種布局中，eFuse用于為子電路或PC板提供局部快速響應(yīng)保護(hù)，例如在熱插拔系統(tǒng)、汽車應(yīng)用、可編程邏輯控制器 (PLC) 和電池充放電管理中；互補(bǔ)式熱保險(xiǎn)絲可提供系統(tǒng)級保護(hù)，以防止需要硬性永久關(guān)斷的大面積嚴(yán)重故障。
這樣一來，設(shè)計(jì)者就能做到兩全其美，即電子保險(xiǎn)絲的所有功能加上熱保險(xiǎn)絲清晰明確的動作。在技術(shù)上無需做任何取舍即可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，而且也不會有任何缺陷。當(dāng)然，與任何設(shè)計(jì)決策一樣，也會考慮一些權(quán)衡。在這種情況下，占用空間的增加和材料清單 (BOM) 會略大。
選擇eFuse：功能和應(yīng)用
選擇電子保險(xiǎn)絲時(shí)需要考慮一些基本參數(shù)。很顯然，首要考慮因素是保險(xiǎn)絲動作時(shí)的電流水平。電流水平通常為從1安培(A)以下到10A左右，以及保險(xiǎn)絲能夠耐受的最高端子電壓。對于一些電子保險(xiǎn)絲來說，電流水平是固定的，而對于其他器件來說，其電流水平可由用戶通過外部電阻器設(shè)置。其他選擇因素包括響應(yīng)速度、靜態(tài)電流、尺寸（封裝）以及所需外部輔助元器件的數(shù)量和類型（如有）。此外，設(shè)計(jì)人員還必須考慮不同的電子保險(xiǎn)絲型號可能具有的任何附加特性和功能。
例如，PLC是一種電子保險(xiǎn)絲在其不同子電路中都非常有用的應(yīng)用，因?yàn)檫@類電路易于發(fā)生傳感器I/O和電源錯(cuò)接。此外，在連接導(dǎo)線或熱插拔電路板時(shí)會出現(xiàn)電流浪涌。例如，Texas Instruments的TPS26620電子保險(xiǎn)絲通常用于這類24V應(yīng)用中。如圖2所示，其設(shè)定的電流限值為500mA。該保險(xiǎn)絲的工作電壓為4.5V至60V，最大電流為80mA，具有可編程的電流限值、過壓、欠壓和反極性保護(hù)功能。該IC還可以控制浪涌電流，并為PLC I/O模塊和傳感器電源提供強(qiáng)大的反向電流和現(xiàn)場誤接線保護(hù)。
圖2：圖中所示為Texas Instruments的TPS26620電子保險(xiǎn)絲在該24V DC PLC應(yīng)用中的跳閘電流設(shè)置為500mA。（圖片來源：Texas Instruments）
圖3中Toshiba TCKE805（18V、5A電子保險(xiǎn)絲）的時(shí)序圖顯示了某個(gè)供應(yīng)商如何實(shí)現(xiàn)自動重啟與閂鎖模式。在自動重啟模式下（由EN/UVLO封裝引腳設(shè)定），過流保護(hù)功能通過抑制故障情況下的功耗來防止電子保險(xiǎn)絲及負(fù)載受損。
圖3：Toshiba TCKE805 18V、5A電子保險(xiǎn)絲采用“測試和重復(fù)循環(huán)”循序來評估恢復(fù)電流是否安全。（圖片來源：Toshiba）
如果通過外部電阻器 (RLIM) 設(shè)定的輸出電流由于負(fù)載故障或者短路而超過電流限值 (ILIM) 時(shí)，則輸出電流和輸出電壓下降，從而限制IC和負(fù)載的功耗。當(dāng)輸出電流達(dá)到預(yù)設(shè)限值并檢測到過電流時(shí)，輸出電流會被鉗制，以使流經(jīng)的電流不超過ILIM。假如過電流問題在此階段未解決，則會維持這種電流鉗制狀態(tài)且電子保險(xiǎn)絲的溫度繼續(xù)升高。
當(dāng)電子保險(xiǎn)絲的溫度達(dá)到熱關(guān)斷功能的動作溫度時(shí)，eFuse MOSFET被關(guān)斷，將電流徹底斷開。自動重啟功能試圖通過阻止這種電流來恢復(fù)電流流動，這樣會降低溫度并解除熱關(guān)斷。如果溫度再次升高，則重復(fù)上述動作并停止運(yùn)行，直到過流情況解除。
相反，閂鎖模式會箝制輸出，直到通過IC的使能 (EN/UVLO) 引腳使電子保險(xiǎn)絲復(fù)位（圖4）。
圖4：與自動重啟模式不同，Toshiba電子保險(xiǎn)絲在閂鎖模式下只有接收到IC使能引腳發(fā)出的指令時(shí)才會復(fù)位。（圖片來源：Toshiba）
一些電子保險(xiǎn)絲經(jīng)過專門配置后，能夠克服與電阻器上的檢測電流相關(guān)的問題，例如IR降，此類情況會降低輸出側(cè)的電源軌電壓。例如，STMicroelectronics的3.3V STEF033AJR的最大標(biāo)稱電流和FET導(dǎo)通電阻值分別為3.6A和40毫歐(mΩ)，這是DFN封裝版器件，而2.5A和25mΩ則是倒裝片封裝版器件。在圖5所示的傳統(tǒng)連接中，在較高電流下即使通過導(dǎo)通電阻的電源軌中出現(xiàn)約15毫伏(mV)的適度IR降也可能是明顯且令人擔(dān)憂的。
圖5：在STEF033AJR的傳統(tǒng)接線中，用于確定限流值的電阻器R-lim放在兩個(gè)指定的端子之間。（圖片來源：STMicroelectronics）
在傳統(tǒng)接線方式中，把電阻放在正壓側(cè)限位連接和輸出電壓連接 (VOUT/Source) 之間，這樣修改后就可實(shí)現(xiàn)對IR降進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_爾文檢測布局（圖6）。
圖6：為了減少電流檢測IR降的影響，限流電阻器的負(fù)極側(cè)連接電壓輸出 (VOUT/Source)。（圖片來源：STMicroelectronics）
請注意，雖然電子保險(xiǎn)絲是半導(dǎo)體器件，可在個(gè)位數(shù)電壓下工作，但并不限于這個(gè)低壓區(qū)域。例如，Texas Instruments TPS2662x系列電子保險(xiǎn)絲的額定工作電壓為4.5V至57V。
eFuse：自己造還是買？
原則上，可以用幾個(gè)FET、一個(gè)電阻器和一個(gè)電感，由分立式元件構(gòu)建基本的eFuse。最初的電子保險(xiǎn)絲就是這樣制造的，其中電感器有兩個(gè)作用：直流輸出濾波、利用其繞組的直流電阻作為檢測電阻器。
然而，一個(gè)性能穩(wěn)定、考慮了元器件特征以及實(shí)際工作條件的增強(qiáng)型電子保險(xiǎn)絲所需的不只是幾個(gè)分立式元器件。即使增加元器件，也只能實(shí)現(xiàn)電子保險(xiǎn)絲的基本功能（圖7）。
圖7：對于使用分立式元器件實(shí)現(xiàn)基本功能的電子保險(xiǎn)絲，必須預(yù)見并克服其固有局限性。（圖片來源：Texas Instruments）
實(shí)際上，隨著有源和無源分立式元器件的增多，不僅器件很快就會變得笨重，而且容易造成單個(gè)產(chǎn)品間的性能變化，以及與初始容差、元器件老化和溫度引起漂移等相關(guān)的問題?？傊?，DIY“制造”的分立式解決方案存在許多局限性：
● 分立式電路一般使用P溝道MOSFET作為通斷元件。就實(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻值 (RDS(ON))而言，P溝道MOSFET比N溝道MOSFET更貴。
● 分立式解決方案效率低，因?yàn)樗@種解決方案會造成二極管功率耗散以及響應(yīng)的電路板溫升。
● 對于分立式電路來說，很難為無源元件FET提供足夠的熱保護(hù)。因此，無法進(jìn)行這種關(guān)鍵性改進(jìn)，或者不得不通過大幅增加設(shè)計(jì)尺寸來提供一個(gè)合適的安全工作區(qū) (SOA)。
● 一個(gè)全面的分立式電路需要很多元器件和相當(dāng)大的電路板空間，而實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路的穩(wěn)健性和可靠性也需要增加元器件。
● 雖然分立式設(shè)計(jì)中的輸出電壓轉(zhuǎn)換率可以使用電阻電容 (RC) 元件進(jìn)行調(diào)節(jié)，但這些元件的尺寸必須在仔細(xì)了解無源FET的柵極特性后才能確定。
即使分立式元件方案可以接受，但與IC方案相比其功能仍會受限。后者可以包括上述部分或全部附加功能，如圖8電子保險(xiǎn)絲框圖所示。此外，IC解決方案體積較小，經(jīng)過充分特征化的性能更穩(wěn)定，并能以更低的成本做到"安心"實(shí)施，這是多器件解決方案無法實(shí)現(xiàn)的。值得注意的是，TPS26620規(guī)格書中提供了幾十張性能圖和時(shí)序圖，涵蓋了各種工作條件，這些都是分立式"制造"方式難以提供的。
圖8：全功能電子保險(xiǎn)絲外形簡單，掩蓋了其內(nèi)部復(fù)雜性，這是分立式元器件無法實(shí)現(xiàn)的。（圖片來源：Texas Instruments）
購買標(biāo)準(zhǔn)電子保險(xiǎn)絲IC而不是走DIY分立式路線的另一個(gè)關(guān)鍵原因：監(jiān)管審批。許多熔斷器（熱保險(xiǎn)絲和電子保險(xiǎn)絲）都是用于與安全有關(guān)的功能，以防止電流過大而導(dǎo)致元器件過熱和可能起火，或者造成用戶傷害。
所有傳統(tǒng)熱保險(xiǎn)絲都獲得了各種監(jiān)管機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可，能在使用適當(dāng)?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)故障安全型的電流關(guān)斷功能。然而，要想獲得同樣的審批，分立式解決方案是非常困難且相當(dāng)耗時(shí)，甚至是不可能的。
相比之下，許多電子保險(xiǎn)絲IC已經(jīng)獲批。例如，TPS2662x系列電子保險(xiǎn)絲已獲UL 2367 認(rèn)可（“特殊用途固態(tài)過流保護(hù)器”）和IEC 62368-1認(rèn)證（音頻/視頻、信息和通信技術(shù)設(shè)備 - 第1部分：安全要求）。該系列還符合IEC61000-4-5（“電磁兼容性 (EMC) - 第4-5部分：測試和測量技術(shù) - 抗浪涌測試”）。為了獲得認(rèn)證，這些電子保險(xiǎn)絲都通過了包括最低和最高工作溫度、最低和最高儲存和運(yùn)輸溫度、大量異常和耐久性測試以及熱循環(huán)等條件下，針對其基本作用的性能測試。
本文小結(jié)
eFuse使用有源電路而非易熔連接部分來切斷電流，用于幫助設(shè)計(jì)人員滿足快速切斷、自復(fù)位和低電流條件下可靠運(yùn)行等要求。電子保險(xiǎn)絲還能具有各種保護(hù)功能，以及可調(diào)轉(zhuǎn)換率。因此，這類器件是工程師的電路和系統(tǒng)保護(hù)器件包的重要補(bǔ)充。
如上所述，電子保險(xiǎn)絲可以取代傳統(tǒng)的熱保險(xiǎn)絲，盡管在許多情況下只是用于局部保護(hù)并采用熱保險(xiǎn)絲作為補(bǔ)充。與傳統(tǒng)的熱保險(xiǎn)絲一樣，許多電子保險(xiǎn)絲也通過了安全相關(guān)功能的認(rèn)證，從而擴(kuò)大了通用性和適用性。
來源：DigiKey
原創(chuàng)：Bill Schweber
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